1.前言

脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，使電動(dòng)機(jī)的交流調(diào)速技術(shù)日益成熟。交流調(diào)速電機(jī)是由變頻器、電動(dòng)機(jī)和連接電纜組成，與直流調(diào)速電機(jī)相比，它具有節(jié)能、體積小、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電力機(jī)車、船舶、冶金等領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可。起初，人們將變頻器直接應(yīng)用于普通電機(jī)上，原本在工頻交流條件下使用15年的電機(jī)，在安裝變頻器后運(yùn)行一至二年甚至幾個(gè)月就出現(xiàn)了絕緣損壞這種情況在國(guó)內(nèi)外均有出現(xiàn)。

為了延長(zhǎng)變頻電機(jī)的使用壽命，研究人員曾提出了以下3種解決方案：第一，縮短變頻器與電機(jī)之間電纜的長(zhǎng)度以降低過(guò)充電壓;第二，增加電磁線絕緣層厚度，并在線圈兩端接口和不同相間增加額外的絕緣材料;第三，使用具有耐電暈腐蝕能力的絕緣電磁線。

盡管第一種方案可以在一定程度上減小電機(jī)端子上的尖峰過(guò)電壓，但不能消除電壓在繞組上的極不均勻分布，對(duì)延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命方面效果不明顯。

第二種方案可以在一定程度上延長(zhǎng)電機(jī)的壽命，但是在增加電機(jī)絕緣尺寸的同時(shí)無(wú)疑減小了銅鐵率，降低了散熱速度;此外，一旦絕緣尺寸改變，整個(gè)電機(jī)制造中的生產(chǎn)裝備、工藝參數(shù)等都需重新設(shè)計(jì)，這些都是電機(jī)制造者所不希望出現(xiàn)的。因此，耐電暈絕緣材料制備和應(yīng)用成為電機(jī)絕緣領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文在分析變頻電機(jī)絕緣材料破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，評(píng)述了國(guó)內(nèi)外在變頻電機(jī)耐電暈絕緣材料方面的研究成果及存在的問(wèn)題，提出了今后耐電暈絕緣材料的研究重點(diǎn)。

2 電機(jī)絕緣的工作環(huán)境及破壞機(jī)理

2.1 電壓

變頻調(diào)速電機(jī)是由變頻器、電纜和電機(jī)組成的。變頻器的核心控制部件有BJT(雙極晶體管)、IGBT(絕緣柵)等多種類型，其中IGBT具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、易于保護(hù)和高速開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，成為場(chǎng)控電力電子器件的主流產(chǎn)品。IGBT的高開關(guān)速度建立在快導(dǎo)通和快關(guān)斷的基礎(chǔ)上，最高可達(dá)30—40 k Hz，正常工作情況下為20 kHz。變頻器的輸出波形是具有陡上升沿和陡下降沿(0.1—0. 5l A s)的脈沖波，正是由于這種脈沖電壓不同于工頻正弦電壓，從而對(duì)變頻電機(jī)絕緣的工作環(huán)境造成了一系列的影響。

當(dāng)變頻器將工頻正弦波轉(zhuǎn)化成脈沖波以后，該列脈沖波從變頻器通過(guò)電纜傳到電機(jī)的接線端，由于電纜與電機(jī)之間的阻抗不匹配將產(chǎn)生反射波。反射波反饋又產(chǎn)生二次反射，二次反射波與原始脈沖電壓波疊加，當(dāng)疊加的脈沖電壓傳輸?shù)诫姍C(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于電纜的長(zhǎng)度和脈沖電壓的上升沿時(shí)間。通常電纜長(zhǎng)度增加時(shí)，電線兩端都產(chǎn)生過(guò)電壓，電機(jī)端的過(guò)電壓幅值隨電纜長(zhǎng)度增加而增加，并趨于飽和。

當(dāng)變頻電機(jī)的絕緣線圈中通過(guò)脈沖電流時(shí)，短上升沿時(shí)間的脈沖波引起電壓在線圈中的分布不均。據(jù)Rhudy,Tang等在模擬電動(dòng)機(jī)定子繞組上進(jìn)行了電壓波形的測(cè)量、分析，表明在電動(dòng)機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過(guò)電壓幅值，這樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過(guò)工頻交流電壓條件下平均匝間電壓的10倍以上！！！

2.2 破壞機(jī)理

盡管在使用變頻器后，電機(jī)首匝附近的電壓比工頻交流條件下提高了10倍以上，雖然仍遠(yuǎn)低于絕緣的擊穿電壓，但是已經(jīng)超過(guò)了局部放電起始電壓。日本、美國(guó)和西歐等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的學(xué)者對(duì)變頻電機(jī)絕緣材料的破壞機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究，并逐步達(dá)成了共識(shí)，認(rèn)為局部放電是造成變頻電機(jī)絕緣過(guò)早破壞的主要原因，而介質(zhì)損耗發(fā)熱、空間電荷、電磁激振以及振動(dòng)等多種因素的存在加速了材料的老化過(guò)程。

以Kaufhold為代表的研究人員通過(guò)在不同電壓，頻率，溫度，脈沖電壓波形下對(duì)聚酞亞胺為絕緣材料的電磁線進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在局部放電時(shí)，絕緣材料在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)被擊穿，而不存在局部放電時(shí)，即使在很高的電應(yīng)力和熱應(yīng)力下，介質(zhì)老化兩年以上也沒(méi)有出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。Kaufhold認(rèn)為變頻電機(jī)中絕緣材料的破壞機(jī)理是由于局部放電引起的。Kaufhold的結(jié)論受到了眾多人的支持，Hwang等人研究了25種變頻電機(jī)用電磁線的局部放電的起始電壓、損耗因子后認(rèn)為，得到的結(jié)論與Kaufhold的結(jié)論完全相同。Beekman, Metzler等人研究表明，絕緣材料的耐電暈?zāi)芰Σ煌瑫?huì)導(dǎo)致變頻情況下絕緣壽命不同，這間接說(shuō)明局部放電是變頻電機(jī)絕緣材料破壞的主要原因。

3 耐電暈絕緣材料的研究現(xiàn)狀

3.1耐電暈漆包線漆

盡管絕緣材料研究人員通過(guò)在聚合物中填充無(wú)機(jī)填料的方法提高其耐電暈性能，但是由于早期無(wú)機(jī)填料制造技術(shù)只能達(dá)到微米級(jí)或亞微米級(jí)，采用這種填料填充的漆包線漆生產(chǎn)的漆包線表面粗糙，無(wú)法滿足漆包線的表面技術(shù)要求。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著納米材料制備技術(shù)的逐漸成熟，人們開始將納米粒子填充到具有較高耐溫等級(jí)的漆包線漆中，制成耐電暈漆包線漆。

采用這種耐電暈漆作為漆包線的外層(二層絕緣結(jié)構(gòu))或中間層(三層絕緣結(jié)構(gòu))，可使漆包線的耐電暈性能提高5一100倍。其中，最為典型的就是Dupont公司生產(chǎn)的耐電暈漆，采用邃克改性聚醋亞胺樹脂為基體，以納米SiO2為填料，這種漆包線漆作為漆包線的涂層，大幅度提高了其耐電暈性能。據(jù)美國(guó)專利US4935302介紹，在絕緣漆中添加粒度為5-500nm的氧化鉻，或氧化鐵和氧化鉻的混合物，填充量約為10%一30%，可以大大提高耐電暈?zāi)芰Α?/p>

Jiang等人提出了在聚酷亞胺、聚酞胺酸亞胺等漆包線漆中添加a型氧化鋁和r氧化鋁的混合物，使耐電暈?zāi)芰μ岣?-4倍。美國(guó)的PhelpsDodge公司研制開發(fā)的耐電暈電磁線X8358采用三層絕緣結(jié)構(gòu)，中間層為二氧化欽、氧化鋁、氧化硅、氧化鋅、氧化鐵等無(wú)機(jī)氧化物填充的耐電暈層，在脈沖測(cè)試中表現(xiàn)出良好的耐電暈性能。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，目前能生產(chǎn)供變頻電機(jī)使用的新型漆包線漆的廠家有:美國(guó)P D George公司，Phelps Dodge公司，Dupont公司，法國(guó)Nexans公司，意大利Syntel公司和德國(guó)Herberts公司等。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在變頻電機(jī)用耐電暈漆包線漆的研制方面，開展了大量工作。哈爾濱理工大學(xué)雷清泉院士課題組、西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海電器科學(xué)研究所以及上海電纜研究所的科研人員分別從不同的角度對(duì)該課題進(jìn)行了研究，取得較大的進(jìn)展，有些成果正在向企業(yè)轉(zhuǎn)化，但耐電暈漆產(chǎn)品由于存在某些問(wèn)題尚未得到規(guī)模化生產(chǎn)。如四川東材科技集團(tuán)有限公司承擔(dān)的國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目交流變頻電機(jī)專用屏蔽漆包線漆，上海電器科學(xué)研究所和上海電纜研究所研究的成果在常熟豪威富公司進(jìn)行了小規(guī)模生產(chǎn)，盡管使漆包線的耐電暈性能得到一定程度的提高，但耐電暈性能分散性大，其根本原因在于納米粒子在聚合物中沒(méi)有得到有效的分散，大多仍以團(tuán)聚體形式存在。

3.2 耐電暈薄膜

均苯型聚酸亞胺薄膜以其優(yōu)異的耐熱、機(jī)械、電氣性能在高性能電機(jī)中有廣泛的應(yīng)用。1994年，美國(guó)Dupont公司在聚酞亞胺前體中填充了納米氧化鋁粒子，成功開發(fā)了耐電暈性能優(yōu)異的Kapton CR薄膜。據(jù)杜邦公司專利介紹，Kapton CR薄膜就是先將氣相氧化鋁和N, N一二甲基乙酞胺制成穩(wěn)定的懸浮體，然后再與聚酞胺酸溶液混合，經(jīng)熱亞胺化制得。該薄膜在變頻電機(jī)制造中主要有兩個(gè)用途:其一，在Kapton CR上復(fù)合Telfon FEP后，繞包燒結(jié)在銅扁線上，作為其電暈防護(hù)層。

試驗(yàn)表明，KaptonFCR薄膜在20 kV的工頻交流電條件下，耐電暈老化壽命可超過(guò)100 000 h，而在同樣條件下普通聚酞亞胺薄膜只有200 h。該耐電暈薄膜繞組線已得到ABB和西門子的認(rèn)可，并已成功應(yīng)用于高速列車的牽引電機(jī)上。我國(guó)株洲電力機(jī)車研究所與常熟豪威富集團(tuán)公司合作，用Kapton CR聚酞亞胺薄膜繞包并燒結(jié)在銅線上，應(yīng)用于1020 kW，電壓1950 kV，轉(zhuǎn)速4 000 r/min的JD150S高速動(dòng)力車上。經(jīng)過(guò) 近 幾 年的探索，國(guó)內(nèi)耐電暈聚酞亞胺薄膜的制備技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)。目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)國(guó)產(chǎn)耐電暈聚酸亞胺薄膜，在機(jī)械、耐熱和電氣性能相近的條件下，平均耐電暈壽命可達(dá)Kapton CR薄膜的60%，但產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，仍有待于提高。

3.3 有機(jī)硅浸潰漆

有機(jī)硅樹脂是一類以硅氧鍵為主鏈、以有機(jī)基團(tuán)為側(cè)鏈的高分子材料。由于Si一0鍵鍵能是373kJ/m ol，比C一C鍵鍵能(245k J/mol)高50%以上，有機(jī)硅樹脂分子結(jié)構(gòu)接近于硅酸鹽的結(jié)構(gòu)，是一種半無(wú)機(jī)高分子。當(dāng)其處于電暈條件下有機(jī)成分被氧化分解之后，表面會(huì)殘留一層硅的氧化物層，耐電暈性能較一般聚合物高。

此外，無(wú)溶劑有機(jī)硅樹脂具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性、電氣性能以及機(jī)械性能，適合用作真空壓力浸潰工藝的浸潰漆180有機(jī)硅樹脂在特種電機(jī)，如牽引電機(jī)中有廣泛的應(yīng)用，能滿足變頻牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)高耐熱性和高可靠性需求。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)逐步在開始消化和吸收國(guó)外的C級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)使用耐電暈性能較好的有機(jī)硅浸漬樹脂。

如株洲南車電機(jī)股份有限公司在KZ4A型和DJ4型牽引電機(jī)上分別采用了3551無(wú)溶劑有機(jī)硅樹脂和Wacker公司的H62A/ B雙組份無(wú)溶劑有機(jī)硅樹脂作為浸漬漆。目前，國(guó)內(nèi)使用的無(wú)溶劑有機(jī)硅浸漬樹脂完全從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。值得注意的是，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司經(jīng)過(guò)幾年的技術(shù)攻關(guān)，在有機(jī)硅無(wú)溶劑浸漬漆的制備和應(yīng)用工藝上取得較大突破，中試產(chǎn)品經(jīng)機(jī)械工業(yè)電工材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢驗(yàn)，性能達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

4 耐電暈機(jī)理研究?

4.1 多核模型

日本早稻田大學(xué)的TanakaT等基于化學(xué)、電學(xué)和形態(tài)學(xué)理論，提出了多核模型，用于解釋納米層狀材料在提高聚合物耐電暈性能方面所起的作用。他們通過(guò)比較聚酞胺和聚酞胺/層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料在相同局部放電條件下的耐電暈性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表面的電暈腐蝕深度是純聚合物的五分之一，肯定了耐電暈性能的提高與層狀硅酸鹽的高耐局部放電性有密切關(guān)系。

聚酞 胺 / 層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料表面耐局部放電的機(jī)理如圖1所示。該復(fù)合材料由許多聚酞胺包覆的納米尺寸的球形粒子組成，球形粒子的結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外可分為三層，即內(nèi)層，中間層和外層。由于離子鍵與共價(jià)鍵的存在，內(nèi)層聚合物與納米粒子之間有較強(qiáng)的作用，具有較強(qiáng)的耐電暈?zāi)芰ΑＶ虚g層聚合物處于高度有序狀態(tài)，且或多或少地存在結(jié)晶現(xiàn)象，兩相鄰顆粒之間的距離約為1 nm，耐電暈性能次之。

第三層主要是非晶態(tài)聚合物，耐電暈性能較差。當(dāng)局部放電作用于復(fù)合材料表面時(shí)，在電、熱、機(jī)械以及環(huán)境等因素的共同作用下，表層的聚合物首先遭到破壞而分解。之后，由于第三層及其外層的聚合物耐電暈性能較弱而被破壞，當(dāng)局部放電遇到球形粒子的中間層或內(nèi)層時(shí)，由于其較強(qiáng)的耐電暈性能，破壞通道將沿著中間層與聚合物的界面繼續(xù)生長(zhǎng)。這樣破壞通道在材料內(nèi)部形成之字形路徑，從而延長(zhǎng)了耐電暈壽命。

4.2 協(xié)同效應(yīng)

材料在電暈條件下的老化是光、熱、電以及化學(xué)等多種因素共同作用的結(jié)果。相應(yīng)地，納米粒子在提高材料耐電暈性能方面所起的作用也不是單一的，而是多方面的。T Okamoto等I”增研究T云母、FeS04填充的聚酞亞胺以及未填充聚酸亞胺的耐電暈壽命，對(duì)比了它們的放電量和體積電阻。發(fā)現(xiàn)Fe304/聚酞亞胺體系的局部放電量最小，而純聚酸亞胺的局部放電量最大，因此，T Okamot認(rèn)為填料的加入造成聚酞亞胺電阻率的降低，使局部放電能量降低，從而延緩了材料的老化速度。

何恩廣等u11研究認(rèn)為納米TiO:微粉填充改性絕緣的新型復(fù)合電磁線經(jīng)過(guò)電暈放電破壞后，析出的納米TiO2微粉層改善了間隙中的電場(chǎng)分布特性，并通過(guò)電動(dòng)力的作用自適應(yīng)遷移使間隙的電場(chǎng)分布趨于均勻化;納米TiO:層在絕緣表面形成電子屏蔽障，可捕獲來(lái)自放電的電荷，并通過(guò)高電導(dǎo)率的納米TiO:微粉層使積聚的電荷沿表面擴(kuò)散;此外納米TiO:微粉層還能夠吸收來(lái)自電暈放電且對(duì)絕緣有光化學(xué)降解作用的紫外線，將光能轉(zhuǎn)化為熱能后通過(guò)良好的導(dǎo)熱性擴(kuò)散掉，從而起到屏蔽紫外線的作用。Yin W 認(rèn)為，納米粒子在提高耐電暈性能方面的作用不是單一的，而是電場(chǎng)均化、熱穩(wěn)定等多種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

5 存在的問(wèn)題及研究方向

我國(guó)研究人員采用不同的方法開發(fā)新型耐電暈材料，解決變頻電機(jī)絕緣的過(guò)早破壞向題。但迄今為止，國(guó)內(nèi)外提出的技術(shù)路線仍不能令人滿意，主要存在以下間題:

(1)?在無(wú)機(jī)納米材料改性聚合物的耐電暈機(jī)理方面，不同的學(xué)者從某一角度對(duì)納米粒子在提高聚合物的耐電暈性能方面提出了不同觀點(diǎn)，仍然缺乏一致的認(rèn)識(shí)。全面研究無(wú)機(jī)納米粒子在提高聚合物耐電暈性能方面的機(jī)理，確定填料的種類、粒度、顆粒形狀、填充量等因素對(duì)聚合物耐電暈性能的影響，才能對(duì)耐電暈機(jī)理形成深刻的認(rèn)識(shí)。

(2)?在耐電暈材料的制備方法上，一般采用共混法向傳統(tǒng)的耐高溫聚合物中填充一定量無(wú)機(jī)納米粒子，但由于納米粒子具有高表面能和強(qiáng)極性表面，多數(shù)情況下是以團(tuán)聚體的形式存在于聚合物中，加之聚合物私度大、極性較弱，難以使納米粒子達(dá)到納米化分散狀態(tài)，造成產(chǎn)品耐電暈性能差，耐電暈性能分散性大。原位聚合法是實(shí)現(xiàn)納米粒子均勻分散、適合工業(yè)化生產(chǎn)的有效途徑，需要對(duì)該工藝進(jìn)行詳細(xì)的研究。

(3)?目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有出現(xiàn)公認(rèn)的耐電暈絕緣材料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這不利于此類材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。盡快建立耐電暈材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程。

為了盡快促使耐電暈絕緣材料產(chǎn)業(yè)化，需要在納米復(fù)合材料的制備、耐電暈機(jī)理以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制備方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。